Meccanismi fotobiochimici di biomolecole rilevanti per l'irradiazione ultravioletta germicida a 222 e 254 nm

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18217 (2022) Citare questo articolo

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Per inattivare virus e microrganismi, la luce ultravioletta nella regione delle lunghezze d’onda corte è un candidato promettente per mitigare l’infezione della malattia. Le lampade germicide al mercurio che emettono a 254 nm e le lampade ad eccimeri KrCl che emettono a 222 nm hanno proprietà di sterilizzazione. In questo lavoro, la dipendenza dalla lunghezza d'onda dei meccanismi fotobiochimici è stata studiata con irradiazione a 222 e 254 nm per analizzare i meccanismi di danno sottostanti del DNA/RNA e delle proteine, utilizzando Escherichia coli, una proteasi, un oligopeptide, amminoacidi, DNA plasmidico e nucleosidi . Sono stati studiati anche la fotoriparazione del DNA danneggiato e la reversione “oscura” degli idrati dei blocchi di accoppiamento dell’uracile fosforamidite.

L'irradiazione con luce ultravioletta (UV) è un modo efficace per inattivare virus e microrganismi con effetti indesiderati minimi sulla salute dei mammiferi o sulla pelle e sugli occhi1,2,3,4,5. Studi precedenti hanno valutato la risposta dei patogeni alla lunghezza d’onda con l’obiettivo di garantire che i sistemi di disinfezione UV proteggano adeguatamente la salute umana, ad esempio dalla SARS-CoV-26,7,8. Un approccio per prevenire la trasmissione dei virus consiste nell’inattivare gli agenti patogeni presenti nell’aria negli spazi pubblici e di trasporto, negli uffici aziendali e negli ospedali quando gli spazi sono occupati da persone. Questo approccio senza danneggiare la pelle esposta dei mammiferi può essere ottenuto mediante una breve profondità di penetrazione ottica della luce UV. Una dose bassa a 222 nm si è rivelata efficace nell’inattivare i coronavirus aerosolizzati6. È stata condotta l'irradiazione a 222 nm su fogli cellulari stratificati, concludendo che l'irradiazione UV è biologicamente sicura per la vitalità cellulare9,10. Per controllare gli agenti patogeni di origine alimentare è stata applicata una luce non filtrata ad ampio spettro da 222 nm. Secondo la letteratura di “una raccolta e analisi di cento anni di dati sui risultati dell’impatto dell’irradiazione UV su microrganismi, cellule umane e animali, pelle e occhi”, le dosi medie necessarie di riduzione logaritmica a 222 nm sono leggermente superiori rispetto all'irradiazione a 254 nm, e una dose adeguata dovrebbe ridurre la maggior parte degli agenti patogeni nella maggior parte dei mezzi di diversi ordini di grandezza senza danneggiare la pelle o gli occhi umani12.

L'irradiazione UV induce danni alle proteine ​​e agli acidi nucleici. L’irradiazione a 254 nm ha inattivato SARS-CoV-2 attraverso l’induzione del danno al genoma virale e non ha danneggiato le proteine ​​virali12. Le proteine ​​della matrice e del nucleocapside di virus e microrganismi assorbono la luce UV e riducono la densità della luce che raggiunge gli acidi nucleici. Pertanto, a lunghezze d'onda UV corte, il meccanismo germicida è principalmente la degradazione delle proteine, mentre a lunghezze d'onda UV lunghe, gli acidi nucleici vengono danneggiati1,2,13,14,15,16. L'acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA) sono costituiti da una proteina di base zucchero-fosfato e da basi pirimidiniche/purine. Gli spettri di azione UV per l'induzione di dimeri di ciclobutano pirimidina (CPD) e fotoprodotti di pirimidina (6-4)pirimidone ((6-4)PP) nel DNA raggiungono il picco a 260 nm e corrispondono allo spettro di assorbimento del DNA disciolto in soluzione salina tamponata con fosfato, il che implica che il fotoassorbimento diretto da parte della timina induce lesioni del DNA17. Sono state riportate intuizioni meccanicistiche sulla formazione fotochimica di un addotto idrato della base azotata dell'RNA in un ambiente acquoso18.

In questo articolo riportiamo i meccanismi fotochimici dell'irradiazione UV a 222 e 254 nm su biomolecole rilevanti per virus e microrganismi; (a) degradazione di amminoacidi aromatici, un oligopeptide, una proteasi e proteine, (b) degradazione del DNA plasmidico e il suo processo di fotoriparazione dopo essere stato trasformato in cellule di Escherichia coli (E. coli), (c) degradazione di un cofattore nel Processo enzimatico di fotoriparazione CPD, (d) degradazione dei nucleosidi, (e) rese di prodotti da RNA UpU e DNA dTpdT e (f) auto-reversione dell'UpU fotoidratato in condizioni di oscurità.